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闪存技术现状及其发展前景分析.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.22M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    闪存技术现状及其发展前景分析 崔增旺 06376038，党坚 06376039 丁凇霖 06376040，冯超锐 06376041 （广州 中山大学 信息科学与技术学院） 摘要：主要介绍闪速存储器的特点、技术分类及其发展趋势,其中包括闪速存储器的制造工 艺、供电、读写操作、擦除次数、功耗等性能比较。 关键词：闪速存储器；NOR 技术；DINOR 技术；NAND 技术；UltraNAND 技术 Status Quo and Development Trend of Flash Memory Technology CuiZengwang06376038，DangJan06376039 DingSonglin06376040，FengChaorui06376041 Abstract：This paper introduces the characteristics, classifications of Technology and trends of Flash Memory, including the performance comparisons of Flash Memory such as manufacturing processes, power supply, reading and writing operations, erasable time and power consumption. Keywords：Flash Memory；NOR Technology；DINOR Technology；NAND Technology； UltraNAND Technology 一、 闪存器的特点 闪速存储器（Flash Memory）是一类长寿的非易失性存储器 NVM（Non-Volatile Memory） 即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如 DRAM、SRAM 这类易失性存储器，当 供电电源关闭时片内信息随即丢失。Flash Memory 及其它类非易失性存储器的特点：与
    EPROM 相比较，闪速存储器具有明显的优势——在系统电可擦除和可重复编程，而不需要 特殊的高电压（某些 第一代闪速存储 器也要求高电压 来完成擦除和 /或编程 操作）；与 EEPROM 相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用 于各个领域，包括嵌入式系统，如 PC 及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪 器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字 录音机和个人数字助理（PDA）。 闪存卡（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储电子信息的存储器， 一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3 等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧， 有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有 Smart Media（SM 卡）、Compact Flash（CF 卡）、Multi Media Card（MMC 卡）、Secure Digital（SD 卡）、Memory Stick（记忆棒）、XD-Picture Card（XD 卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些 闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。 二、 闪速存储器的技术分类 全球闪速存储器的主要供应商有 AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、 Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分 为几大阵营。 1. NOR 技术 NOR： NOR 技术（亦称为 Linear 技术）闪速存储器是最早出现的 Flash Memory，目前仍是多 数供应商支持的技术架构。它源于传统的 EPROM 器件，与其它 Flash Memory 技术相比， 具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合， 尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如 PC 的 BIOS 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制 存储器等。 NOR 技术 Flash Memory 具有以下特点：（1）程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独 立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从 Flash 中读取代码执行，而无 需先将代码下载至 RAM 中再执行；（2）可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须 以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预 编程和擦除操作。由于 NOR 技术 Flash Memory 的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，
    因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR 技术显 得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如 Compact Flash 卡中继续看好这种 技术。 Intel 公司的 Strata Flash 家族中的最新成员——28F128J3，是迄今为止采用 NOR 技术生 产的存储容量最大的闪速存储器件，达到 128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯 片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用 0.25μm 制造工艺，同时采用了支持高存 储容量和低成本的 MLC 技术。所谓 MLC 技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极 充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有 4 个阈 电压（00/01/10/11），因此可以存储 2b 信息；而传统技术中，每个存储单元只有 2 个阈电压 （0/1），只能存储 1b 信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价 的。Intel 通过采用称为 VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来 管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。 DINOR DINOR(Divided bit- line NOR)技术是 Mitsubishi 与 Hitachi 公司发展的专利技术，从一定 程度上改善了 NOR 技术在写性能上的不足。DINOR 技术 Flash Memory 和 NOR 技术一样 具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于 NOR，而块擦除速度快于 NOR。 这是因为 NOR 技术 Flash Memory 编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动， 电荷聚集，从而使电位从 1 变为 0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从 0 变为 1。而 DINOR 技术 Flash Memory 在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。DINOR 技术 Flash Memory 在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除 操作所需电压，这与 NOR 技术相反。 尽管 DINOR 技术具有针对 NOR 技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在 当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的 NOR 技术相抗 衡的能力。目前 DINOR 技术 Flash Memory 的最大容量达到 64Mb。Mitsubishi 公司推出的 DINOR 技术器件——M5M29GB/T320，采用 Mitsubishi 和 Hitachi 的专利 BGO 技术，将闪 速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对 其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除 操作，而无须外接 EEPROM。由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用 0.25μm 制造工艺，不仅快速读取速度达到 80ns，而且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模 式下仅有 033μW 功耗，当任何地址线或片使能信号 200ns 保持不变时，即进入自动省电模
    式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定 位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身 手. 2. NAND 技术 NAND Samsung、TOSHIBA 和 Fujistu 支持 NAND 技术 Flash Memory。这种结构的闪速存储 器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为 Smart Media 卡、Compact Flash 卡、PCMCIAATA 卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 NAND 技术 Flash Memory 具有以下特点：（1）以页为单位进行读和编程操作，1 页为 256 或 512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1 块为 4K、8K 或 16KB。具有快编程和 快擦除的功能，其块擦除时间是 2ms；而 NOR 技术的块擦除时间达到几百 ms。（2）数据、 地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。（3）芯片尺 寸小，引脚少，是位成本(bitcost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节 1 美元的价格限 制。（4）芯片包含有失效块，其数目最大可达到 3~35 块（取决于存储器密度）。失效块不 会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。Samsung 公司在 1999 年底开发出世界上第一颗 1GbNAND 技术闪速存储器。据称这种 Flash Memory 可以存 储 560 张高分辨率的照片或 32 首 CD 质量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒 介。Samsung 采用了许多 DRAM 的工艺技术，包括首次采用 0.15μm 的制造工艺来生产这 颗 Flash。已经批量生产的 K9K1208UOM 采用 0.18μm 工艺，存储容量为 512Mb。 UltraNAND AMD 与 Fujistu 共同推出的 UltraNAND 技术，称之为先进的 NAND 闪速存储器技术。 它与 NAND 标准兼容：拥有比 NAND 技术更高等级的可靠性；可用来存储代码，从而首次 在代码存储的应用中体现出 NAND 技术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统级的查 错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。 与 DINOR 技术一样，尽管 UltraNAND 技术具有优势，但在当前的市场上仍以 NAND 技术为主流。UltraNAND 家族的第一个成员是 AM30LV0064，采用 0.25μm 制造工艺，没有 失效块，可在至少 104 次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可靠性的场合，如电 信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。研制中的 AM30LV0128 容量达到 128Mb， 而在 AMD 的计划中 UltraNAND 技术 Flash Memory 将突破每兆字节 1 美元的价格限制，更
    显示出它对于 NOR 技术的价格优势。 3. AND 技术 AND 技术是 Hitachi 公司的专利技术。Hitachi 和 Mitsubishi 共同支持 AND 技术的 Flash Memory。AND 技术与 NAND 一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文 档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。 Hitachi 和 Mitsubishi 公司采用 0.18μm 的制造工艺，并结合 MLC 技术，生产出芯片尺 寸更小、存储容量更大、功耗更低的 512Mb-ANDFlashMemory，再利用双密度封装技术 DDP （Double Density Package Technology），将 2 片 512Mb 芯片叠加在 1 片 TSOP48 的封装内， 形成一片 1Gb 芯片。HN29V51211T 具有突出的低功耗特性，读电流为 2mA，待机电流仅 为 1μA，同时由于其内部存在与块大小一致的内部 RAM 缓冲区，使得 AND 技术不像其他 采用 MLC 的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。Hitachi 公司用该芯片制造 128MB 的 MultiMedia 卡和 2MB 的 PC-ATA 卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、 便携式摄像机、便携式音乐播放机等。 4. 由 EEPROM 派生的闪速存储器 EEPROM 具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存 储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以 EEPROM 做闪速存储阵列的 Flash Memory，如 ATMEL、SST 的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和 ATMEL 的海量存储器（Data-Flash Memory）。这类器件具有 EEPROM 与 NOR 技术 Flash Memory 二者折衷的性能特点：（1）读写的灵活性逊于 EEPROM，不能直接改写数据。在编程之前 需要先进行页擦除，但与 NOR 技术 Flash Memory 的块结构相比其页尺寸小，具有快速随 机读取和快编程、快擦除的特点。（2）与 EEPROM 比较，具有明显的成本优势。（3）存储 密度比 EEPROM 大，但比 NOR 技术 Flash Memory 小，如 Small Sector Flash Memory 的存 储密度可达到 4Mb，而 32Mb 的 Data Flash Memory 芯片有试用样品提供。正因为这类器件 在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。 Small Sector Flash Memory 采用并行数据总线和页结构（1 页为 128 或 256B），对页执 行读写操作，因而既具有 NOR技术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷， 适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代 EPROM。 Data Flash Memory 是 ATMEL 的专利产品，采用 SPI 串行接口，只能依次读取数据，
    但有利于降低成本、增加系统的可靠性、缩小封装尺寸。主存储区采取页结构。主存储区 与串行接口之间有 2 个与页大小一致的 SRAM 数据缓冲区。特殊的结构决定它存在多条读 写通道：既可直接从主存储区读，又可通过缓冲区从主存储区读或向主存储区写，两个缓 冲区之间可以相互读或写，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。适合于诸如答录机、 寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。 三、 发展趋势 存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓 尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用 0.18μm，甚至 0.15μm 的制造 工艺。借助于先进工艺的优势，Flash Memory 的容量可以更大：NOR 技术将出现 256Mb 的器件，NAND 和 AND 技术已经有 1Gb 的器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初 DIP 封装，到 PSOP、SSOP、TSOP 封装，再到 BGA 封装，Flash Memory 已经变得非常纤细小 巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初 12V 的编程电压，一步步下 降到 5V、3.3V、2.7V、1.8V 单电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产 品的发展。 另一方面，新技术、新工艺也推动 Flash Memory 的位成本大幅度下降：采用 NOR 技 术的 Intel 公司的 28F128J3 价格为 25 美元，NAND 技术和 AND 技术的 Flash Memory 将突 破 1MB1 美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。 世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近 DRAM 市场的 1/4，与 DRAM 和 SRAM 一起成为存储器市场的三大产品。Flash Memory 的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高 性能低成本的新产品不断涌现，刺激了 Flash Memory 更广泛的应用，推动了行业的向前发 展。 【附表闪速存储器性能比较】 NOR 技术 NAND 技术 EEPROM 派生 型号 容量 /Mb 工艺/ NOR DNOR AND 技术 NAND UltraNAN D Small Sector Data Flash Flash Intel:28F1 2J3 128 0.25 Mitsubishi： Hitachi： Samsung： AMD： AT MEL： M5M29GB/T HN29V51211 K9K1208U 30LV0064 AT29BV0 320 32 0.25 T 512 0.18 OM 512 0.18 1 64 0.25 40A 4 -- AT MEL： AT45DB32 32 --
    线宽 /μm 供电 电压 /V 总线 结构 读操 作 编程 操作 擦除 操作 擦除 次数 功耗 封装 2.7~3.6 2.7~3.3 2.7~3.3 2.7~3.6 2.7~3.6 （I/O 口允 许 5V） 2.7~3.6 2.7~3.6 地址、数据采用各自独立 8 位地址/数 的总线 据总线 8 位地址/数据总线 内部 结构 块： 128KB 引导块： 32KB 参数块： 32KB 主存储块： 64KB 页： 块：2KB+64B 内部 RAM 缓 存：2KB+64B 512B+16B 块： 16KB+512 B 页： 512B+16B 块： 8KB+256B 随机读取： 随机读取： 随机读取： 随机读 随机读取： 50μs 10μs 7μs 随机读取： 120μs 取：150ns 80ns 串行读取： 串行读取： 串行读取： 250ns （PagetoBu 10^5 10^5 10^5 10^5 2ms 10^6 10^4 50ns 60ns 50ns 块编程：4ms 块编程：1ms 页编程： 页编程： 200μs 200μs 块擦除：40ms 块擦除：1ms 块擦除： 块擦除： 2ms 读操作： 54mW 编程/擦除操 作：126mW 待机/自动省 电模式： 0.33μW 读电流：2mA 编程/擦除电 流：20mA 待机电流： 1μA 串行读电 流：10mA 编程/擦除 电流： 串行读电 流：10mA 编程/擦除 电流： 15mA 待机电流： 10mA 待机电流： 10μA 10μA 字节编 程：6μs 块编程： 0.8~2.4s 块擦除： 1~5s 读电流： 20~50mA 编程电 流： 60~70mA 擦除电 流： 70~80mA TSOPBG A 地址、数据 采用独立 的总线 页：256B SPI 串行总 线 页：528B 块： 4KB+128B SRAM 数 据缓存： 528B 串行读取： 字节编程： 150μs/页 编程： 20ms 单周期内 页重新编 程：5ms ffer） 页编程： 7ms 页重新编 程：10ms 页擦除： 6ms 块擦 除：7ms 10^5 工作电流： 工作电流： 15mA 待机电流： 4mA 待机电流： 40μA 3μA TSOP TSOP TSOP TSOPFBG A TSOP TSOPCBG A 参考文献： [1]Flash memory – Wikipedia：http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory [2]闪存_百度百科：http://baike.baidu.com/view/1371.htm
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